PROGRAMA DE P ´
OS-GRADUA ¸
C ˜
AO EM
ENGENHARIA EL´
ETRICA
Sensor de Eletromiografia sem fio a seco com
acelerˆ
ometro triaxial integrado
Frederico Amaral de Oliveira
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB ´
A
PROGRAMA DE P ´
OS-GRADUA ¸
C ˜
AO EM
ENGENHARIA EL´
ETRICA
Frederico Amaral de Oliveira
Sensor de Eletromiografia sem fio a seco com
acelerˆ
ometro triaxial integrado
Disserta¸c˜ao submetida ao Programa de P´ os-Gradua¸c˜ao em Engenharia El´etrica como parte dos requisitos para obten¸c˜ao do T´ıtulo de Mestre em Ciˆencias em Engenharia El´etrica.
´
Area de Concentra¸c˜ao: Microeletrˆonica
Orientador: Prof. Phd. Tales Cleber Pimenta
Corientador: Prof. Dr. Roberto Castro J´unior
Maio de 2012
Itajub´
a - MG
tenha algo a aprender.
”(Blaise Pascal).
Primeiramente, eu gostaria de agradecer as pessoas que mais me apoioaram neste trabalho que s˜ao meus pais. Nos momentos dif´ıceis, eles foram minha for¸ca e inspira-¸c˜ao. Em seguida, eu gostaria de agradecer aos professores Phd. Tales Cl´eber Pimenta e Dr.Roberto Castro J´unior, pois eles permitiram e me guiaram durante o caminho. De maneira especial, gostaria de agradecer aos professores Ms. Jos´e Alberto Ferreira Filho e Dr. Egon Muller J´unior, por me orientarem desde o in´ıcio de minha vida acadˆemica, sempre propondo a mim oportunidades para meu crescimento. Gostaria ainda de agrade-cer Dr. Francisco Sales Almeida pelo suporte dos conhecimentos de medicina e permitir o financiamento dos componentes, e tamb´em ao professor Ms. Ricardo Pombo Sales pelo suporte nos conhecimentos de educa¸c˜ao f´ısica. Ainda, eu gostaria de agradecer ao meu amigo Denis Israel Barbosa, que por meio da empresa Master Usinagem, viabilizou a usi-nagem das pe¸cas mecˆanicas do projeto. Gostaria, tamb´em de agradecer ao professor Dr. Dem´etrio A. Werner Soares pela libera¸c˜ao do uso dos instrumentos de medi¸c˜ao do grupo de pesquisa de biomateriais e ao meu amigo Juliano, da empresa 3J, pela disponibiliza¸c˜ao de instrumentos de medi¸c˜ao, fundamentais para a realiza¸c˜ao deste trabalho. Eu gostaria de agradecer, de maneira muito especial, ao meu amigo Anderson Reis, pelo suporte no projeto durante a fase de desenvolvimento. Eu n˜ao poderia esquecer de agradecer a minha amiga Lillian Campos dos Santos, que me ajudou na finaliza¸c˜ao do projeto. Para finalizar, eu gostaria de agradecer a CAPES pelo aporte financeiro.
Resumo
Sensores de eletromiografia s˜ao utilizados em estudos onde ´e necess´ario avaliar o pa-dr˜ao de ativa¸c˜ao muscular. Entretanto, os tradicionais eletromi´ografos utilizam fios para conectar os eletrodos aos conectores de entrada, limitando a movimenta¸c˜ao do sujeito sobre an´alise. Adicionalmente, s˜ao necess´arios sensores adicionais, como cˆameras, chaves mecˆanicas e outros para relacionar a contra¸c˜ao muscular com o movimento mecˆanico, dificultando a maneira de utiliza¸c˜ao destes sensores.
Esse trabalho prop˜oe um sensor de eletromiografia sem fio, com acelerˆometro triaxial integrado a estrutura. A vantagem deste tipo de sensor ´e que ele permite a an´alise do pa-dr˜ao de ativa¸c˜ao muscular durante a movimenta¸c˜ao, assim como tamb´em relaciona o sinal de eletromiografia ao movimento mecˆanico c´ıclico do membro, por meio do acelerˆometro. Diminuindo, portanto, a quantidade de fios e sensores extras.
O sensor foi projetado (desenvolvido) tomando como base os parˆametros encontrados na literatura especializada. Al´em da eletrˆonica, o projeto abrangeu tamb´em aspectos mecˆanicos.
Um experimento pr´atico em ser humano foi conduzido para verificar se o sensor foi capaz de captar sinais na superf´ıcie da pele humana. Foi requisitado a um sujeito pedalar uma bicicleta para montanhas, seguindo um protocolo experimental semelhante ao da literatura especializada. Os resultados foram ent˜ao comparados, e notou-se que o sensor ´e de fato capaz de captar sinais de eletromiografia.
Abstract
Electromyography sensors are used in studies where it is necessary to obtain the muscular activation pattern. The traditional electromyography equipment uses wires to connect the electrodes to the front-end, thus limiting the movement of the subject under evaluation. It additionally requires additional sensors, such as video cameras, electronic switches and others to associate the muscular contraction to the mechanical movement that further limits the sensor application.
This presents the development of a wireless electromyography sensor, with a built in triaxial accelerometer. The advantage of this kind of sensor is that it permits the assessment of muscular activation pattern during the movement, and relates the elec-tromyography signal to the cyclic mechanical movement of the member, through the accelerometer. Therefore, the system has less wiring and extra sensors.
The project parameters were obtained from the literature. Besides electronics, the design also covered mechanical aspects. According with the preliminary test, the sensor meets almost all specifications.
A practical experiment, in a volunteer, confirms the sensor is able to acquire the signal over skin. The subject followed an experimental protocol similar to those found in the literature. The subject was asked to cycle a fixed mountain bike. The obtained results were validated the design.
Lista de siglas
A/D Conversor Anal´ogico Digital ADP Adenosina difosfato
ATP Adenosina Tri Fosfato BF Biceps Femoris
CMRR Common Mode Rejection Rate DD Duplo Diferencial
DSP Digital Signal Processor EMI Electromagnetic interference ESD Electrostatic Discharge FIR Finite Impulse Response HBM Human Body Model IIR Infinite Impulse Response LDO Low Dropout Regulator LG Lateral Gastrocnemius
MCV M´axima Contra¸c˜ao Volunt´aria MG Medial Gastrocnemius
MIPS Million Instruction per Second MIPS Million instruction per second RF Rectus Femoris
SL Soleus
SNR Signal-Noise Rate SPP Serial Port Profile ST Semitendinosus TA Tibialis Anterior USB Universal Serial Bus VL Vastus Lateralis VM Vastus Medialis
Lista de s´
ımbolos
A Ganho do amplificador diferencial
Ce Concenta¸c˜ao de um ´ıon no exterior celular
Ci Concenta¸c˜ao de um ´ıon no interior celular
Pon Permeabilidade de um ´ıon pela membrana celular
Vin Sinal de entrada em tens˜ao Vout Sinal de sa´ıda em tens˜ao Vpp Volts pico `a pico
Vp Volts de pico
Sum´
ario
Lista de Figuras Lista de Tabelas 1 Introdu¸c˜ao 16 1.1 Vis˜ao geral . . . 16 1.2 Organiza¸c˜ao do trabalho . . . 172 Revis˜ao bibliogr´afica 18 2.1 Potenciais de membrana e potenciais de a¸c˜ao . . . 18
2.1.1 Resultante el´etrica do potencial de membrana . . . 18
2.1.2 Potencial de Nerst e Potencial de difus˜ao para membrana perme´avel a v´arios ´ıons diferentes . . . 19
2.1.3 Transporte ativo e sua influˆencia no potencial de membrana . . . . 20
2.1.4 Propaga¸c˜ao do potencial de a¸c˜ao . . . 23
2.2 Anatomia e fisiologia do sistema muscular esquel´etico . . . 24
2.2.1 Organiza¸c˜ao do m´usculo esquel´etico . . . 24
2.2.2 Os filamentos de miosina e actina . . . 25
2.2.3 A contra¸c˜ao muscular . . . 27
2.2.4 Excita¸c˜ao do m´usculo esquel´etico . . . 28
2.2.5 Contra¸c˜ao isom´etrica versus contra¸c˜ao isotˆonica . . . 31
2.2.6 Estrat´egias para a varia¸c˜ao da for¸ca de contra¸c˜ao - Soma¸c˜ao . . . . 31
2.4 Eletrodos e interface pele-eletrodo . . . 36
2.4.1 Interface eletrodo-eletrol´ıtico e potencial de meia c´elula . . . 36
2.4.2 Circuito equivalente de um eletrodo . . . 37
2.4.3 Circuito equivalente dos eletrodos de superf´ıcie aplicados `a pele . . 38
2.5 Eletromiografia . . . 39
2.5.1 Ru´ıdos . . . 39
2.6 Arquitetura de instrumenta¸c˜ao de EMG . . . 40
2.6.1 Amplificadores e caracter´ısticas . . . 40
2.6.2 Filtros . . . 41
2.6.3 Conversor anal´ogico digital . . . 41
2.7 Quantifica¸c˜ao e an´alise do sinal . . . 42
2.7.1 P´os-Processamento . . . 42
2.8 Estado da arte . . . 42
2.8.1 Hist´oria . . . 42
3 Materiais e m´etodos 48 3.1 Recursos utilizados . . . 48
3.2 Especifica¸c˜oes de projeto . . . 49
3.2.1 Eletrodos e caixa . . . 49
3.2.2 Prote¸c˜oes de entrada . . . 50
3.2.3 Front-end . . . 50
3.2.4 Filtros Digitais . . . 51
3.2.5 Prote¸c˜oes contra EMI . . . 51
3.2.6 R´adio frequˆencia . . . 52
3.3 Procedimentos de ensaios experimental do sensor . . . 52
3.3.2 Resposta em frequˆencia e ganho do circuito anal´ogico . . . 53
3.3.3 Resposta em frequˆencia dos filtros digitais . . . 53
3.3.4 Resposta em frequˆencia do sensor . . . 54
3.3.5 Impedˆancia de entrada . . . 55
3.3.6 Ru´ıdo do sensor . . . 55
3.3.7 Avalia¸c˜ao pr´atica do sensor . . . 55
4 Resultados 59 4.1 O sistema para capta¸c˜ao do sinal el´etrico muscular . . . 59
4.2 Projeto mecˆanico . . . 60
4.3 Eletrodos . . . 61
4.4 Circuitos . . . 63
4.4.1 Filtros contra EMI e prote¸c˜ao contra descarga eletrost´atica. . . 63
4.4.2 Buffers de entrada . . . 65
4.4.3 Duplo amplificador diferencial . . . 65
4.4.4 Filtragem e amplifica¸c˜ao . . . 66
4.4.5 Realimenta¸c˜ao . . . 67
4.4.6 Acelerˆometro . . . 67
4.4.7 Conversor anal´ogico digital . . . 68
4.4.8 Regulador de tens˜ao . . . 69
4.4.9 Microcontrolador . . . 70
4.4.10 Regulador de tens˜ao e gerenciador de bateria . . . 71
4.4.11 M´odulo Bluetooth® . . . 71
4.5 Layout das placas de circuito impresso . . . 72
4.6 Filtros digitais . . . 72
4.6.1 Filtro FIR - passa alta e passa baixa . . . 73
4.8 Resultados experimentais do sensor . . . 74
4.8.1 Raz˜ao de rejei¸c˜ao de modo comum . . . 74
4.8.2 Resposta em frequˆencia e ganho do circuito anal´ogico . . . 74
4.8.3 Resposta em frequˆencia e ganho dos filtros digitais . . . 75
4.8.4 Resposta em frequˆencia do sensor . . . 75
4.8.5 Impedˆancia de entrada . . . 76
4.8.6 Ru´ıdo de linha de base . . . 76
4.8.7 Resultados Pr´aticos . . . 76
4.8.8 Resumo dos resultados obtidos . . . 77
5 Conclus˜ao e trabalhos futuros 91
Lista de Figuras
1 Canal de vazamento [1]. . . 20
2 Bomba de s´odio e pot´assio [1]. . . 20
3 O potencial de a¸c˜ao em uma fibra nervosa [1]. . . 21
4 Varia¸c˜ao da permeabilidade dos ´ıons de s´odio e pot´assio durante o potencial de a¸c˜ao [2]. . . 22
5 Distribui¸c˜ao de cargas el´etricas na proximidade da regi˜ao de despolariza¸c˜ao [2]. . . 23
6 Estrutura muscular e sua subunidades [1]. . . 25
7 Estrutura do filamento de miosina e sua intera¸c˜ao com os filamentos de actina [1]. . . 26
8 Estrutura do filamento de actina [1]. . . 27
9 Processo de contra¸c˜ao muscular [1]. . . 28
10 Placa motora [1]. . . 29
11 Fenda Neural [1]. . . 30
12 Estrutura de t´ubulos transversos e sua liga¸c˜ao com ret´ıculo sarcoplasm´atico [1]. . . 31
13 Processo de excita¸c˜ao da contra¸c˜ao muscular [1]. . . 32
14 Soma¸c˜ao por freq¨uˆencia e tetaniza¸c˜ao [1]. . . 33
15 Forma¸c˜ao da MUAP [3]. . . 34
16 Representa¸c˜ao esquem´atica da forma¸c˜ao do sinal de sEMG [3]. . . 35
17 Interface eletrodo-eletrol´ıtica [2]. . . 36
18 Circuito equivalente de um eletrodo de biopotencial [2]. . . 37
21 Sinal de EMG bruto de 3 contra¸c˜oes do m´usculo M. Biceps branchii [5]. . . 40
22 Primeiro eletromiografo comercial [6]. . . 43
23 Eletromi´ografo com circuito digitais Mendelec M56 [6]. . . 43
24 Eletrmiografo Nicolet Viking [6]. . . 44
25 Foto eletromiografo Delsys Trigno Wireless®. . . 45
26 Arranjo experimental para medi¸c˜ao do CMRR do sensor. . . 53
27 Arranjo experimental para medi¸c˜ao de resposta em frequˆencia e ganho do sensor. . . 54
28 Arranjo experimental para medi¸c˜ao de resposta em frequˆencia e ganho dos filtros digitais. . . 54
29 experimental para medi¸c˜ao de resposta em frequˆencia do sensor. . . 55
30 Arranjo experimental para medi¸c˜ao da impedˆancia de entrada. . . 56
31 Arranjo experimental para medi¸c˜ao de ru´ıdo de fundo. . . 57
32 Referˆencia do posicionamento dos eletrodos na perna (modificado de [7]). . 58
33 Foto dos circuitos eletrˆonicos. . . 59
34 Esquema de montagem do sistema. . . 60
35 Vis˜ao lateral do sensor. . . 61
36 Vis˜ao inferior do sensor. . . 61
37 Foto do sensor montado na cinta el´astica. . . 62
38 Fotografia e disposi¸c˜ao dos eletrodos no prot´otipo. . . 62
39 Diagrama do circuito anal´ogico e digital. . . 63
40 Filtro de entrada para elimina¸c˜ao de alta frequˆencia e prote¸c˜ao contra ESD. 64 41 Perda de inser¸c˜ao do componente NFM18PC [8]. . . 64
42 Circuito do buffer de entrada. . . 65
43 Circuito DD para elimina¸c˜ao de cross-talk entre os m´usculos. . . 66
45 Circuito de Realimenta¸c˜ao. . . 68
46 Circuito do acelerˆometro. . . 69
47 Circuito do conversor anal´ogico para digital. . . 69
48 Circuito do regulador de tens˜ao. . . 70
49 Circuito do microcontrolador. . . 70
50 Circuito do gerenciador de bateria. . . 71
51 Circuito do m´odulo bluetooth. . . 72
52 Layout da placa anal´ogica. . . 79
53 Layout da placa digital. . . 79
54 Resposta em frequˆencia do filtro passa baixa digital. . . 80
55 Resposta em frequˆencia do filtro passa alta digital. . . 80
56 Resposta em frequˆencia do filtro notch. . . 81
57 Diagrama de blocos l´ogicos do software de interface. . . 81
58 Interface gr´afica com o usu´ario. . . 82
59 Resposta em frequˆencia do circuito anal´ogico. . . 83
60 Resposta em frequˆencia dos filtros digitais. . . 83
61 Resposta em frequˆencia resultante do sensor. . . 84
62 Corrente de entrada no circuito pela tens˜ao entre eletrodos. . . 84
63 Comparativo entre o sinal de sEMG da literatura [9] e o sinal obtido com o sensor constru´ıdo durante o movimento da pedalada. . . 85
64 Sinal do m´usculo Tibialis Anterior. . . 86
65 Sinal do m´usculo Gastrocnemius. . . 86
66 Sinal do m´usculo Lateral Gastrocnemius. . . 87
67 Sinal do m´usculo Soleus. . . 87
68 Sinal do m´usculo Vastus Medialis. . . 88
71 Sinal do m´usculo Biceps Femoris. . . 89 72 Sinal do m´usculo Semitendinosus. . . 90
Lista de Tabelas
1 Gradientes de Concentra¸c˜ao T´ıpicos. . . 20
2 Especifica¸c˜oes T´ecnicas. . . 46
3 CMRR experimental. . . 75
1
Introdu¸
c˜
ao
1.1
Vis˜
ao geral
”A eletromiografia ´e uma ferramenta t´ecnica experimental preocupada com o desen-volvimento, grava¸c˜ao e an´alise de sinais mio el´etricos. Sinais mio el´etricos s˜ao formados por varia¸c˜oes no estado das membranas das fibras musculares”[10].
De acordo com [5] eletromiografia ´e uma ferramenta de avalia¸c˜ao importante para uma vasta gama de aplica¸c˜oes em pesquisas m´edicas, reabilita¸c˜ao, ergonomia e ciˆencias espor-tivas e em adi¸c˜ao, tamb´em existem pesquisas para utiliza¸c˜ao do sinal de eletromiografia (EMG) para controle de pr´oteses e exoesqueletos rob´oticos [11].
A necessidade da medi¸c˜ao da acelera¸c˜ao do membro, por meio de um acelerˆometro incorporado ao sensor de eletromiografia, ´e importante para a mensura¸c˜ao de impactos, e determina¸c˜ao da posi¸c˜ao do membro em movimentos c´ıclicos para a correla¸c˜ao da varia¸c˜ao espacial de um determinado m´usculo e sua contra¸c˜ao, fornecendo aos usu´arios informa¸c˜oes sobre o padr˜ao de ativa¸c˜ao muscular de um determinado movimento sobre an´alise de maneira precisa e f´acil utiliza¸c˜ao sem a necessidade de cˆameras filmadoras especiais.
Os tradicionais sensores com fios, que conectam os eletrodos ao amplificador, limitam a movimenta¸c˜ao do sujeito estudado, portanto sensores alternativos que sejam pequenos, leves e que transmitam os dados por r´adio frequˆencia permitem uma liberdade de tipos de movimentos maior, sendo, portanto muito ´util para aplica¸c˜oes em ciˆencias esportivas. A utiliza¸c˜ao de gel condutor entre a pele e o sensor visa melhoria da qualidade da capta¸c˜ao do sinal. Entretanto, a efic´acia do gel ´e comprometida para monitoramento por longos per´ıodos de tempo ou que existe quando a concentra¸c˜ao de suor ´e alta na regi˜ao de aplica¸c˜ao, al´em do incˆomodo da aplica¸c˜ao do gel existe a probabilidade de irrita¸c˜ao e alergia da pele. Desta maneira, sensores capazes de trabalhar sem o gel condutor ou `
a seco apresentam vantagens para monitoramento em longo prazo, por´em o sinal possui pior qualidade e fica sujeito ru´ıdo a movimenta¸c˜ao de linha de base mais severa.
1.2 Organiza¸c˜ao do trabalho 17
Este trabalho tem como objetivo desenvolver hardware e software para a constru¸c˜ao de um sensor de EMG `a seco sem fio com acelerˆometro triaxial integrado com eletrodos reaproveit´aveis. Sendo objetivo de uso deste sensor para o estudo da contra¸c˜ao de um determinado m´usculo relacionado a um determinado movimento. Em adi¸c˜ao, o desen-volvimento do software de interface com usu´ario para o tra¸cado dos sinais coletados em tempo real, para an´alises e corre¸c˜oes de movimentos, assim como seu armazenamento para futuras avalia¸c˜oes.
1.2
Organiza¸
c˜
ao do trabalho
Esse trabalho est´a organizado em cinco cap´ıtulos, sendo o primeiro a introdu¸c˜ao. No segundo cap´ıtulo s˜ao revisados os conceitos te´oricos sobre o processo de contra¸c˜ao muscular assim como ´e feita uma breve introdu¸c˜ao da topologia de um eletromi´ografo e uma revis˜ao do estado da arte desta tecnologia.
No terceiro cap´ıtulo s˜ao explicados os materiais e m´etodos usados para constru¸c˜ao e ensaio do sensor.
No quarto cap´ıtulo s˜ao mostrados os resultados experimentais.
No quinto cap´ıtulo ´e feita uma an´alise dos resultados e ´e emitida uma conclus˜ao sobre o trabalho, assim como proposi¸c˜oes para futuras investiga¸c˜oes para o aperfei¸coamento do sensor constru´ıdo.
2
Revis˜
ao bibliogr´
afica
2.1
Potenciais de membrana e potenciais de a¸
c˜
ao
Todas as c´elulas de seres vivos possuem um potencial el´etrico sobre a membrana que as delimitam. Alguns tipos de c´elulas, denominadas excit´aveis, permitem a altera¸c˜ao deste potencial el´etrico sobre a membrana para a transmiss˜ao de informa¸c˜ao. Portanto, a varia¸c˜ao da tens˜ao el´etrica na c´elula desempenha uma a¸c˜ao fundamental no controle das fun¸c˜oes celulares, e consequentemente, no controle vital dos organismos.
O texto escrito neste sub cap´ıtulo ´e baseado nas obras de [1] e [2] que n˜ao ser˜ao mais referenciadas ao longo do cap´ıtulo.
2.1.1
Resultante el´
etrica do potencial de membrana
Considere uma c´elula excit´avel em repouso no momento em que n˜ao ocorre o trans-porte ativo de ´ıons. A concentra¸c˜ao de pot´assio (K+) internamente a c´elula ´e maior que
a concentra¸c˜ao exterior.
A membrana celular ´e seletivamente perme´avel aos ´ıons de pot´assio e, portanto estes acabam se difundindo para o exterior celular onde existe menor concentra¸c˜ao. Conse-quentemente, ˆanions negativos que n˜ao se difundem pela membrana s˜ao respons´aveis pelo aumento da tens˜ao negativa no interior da c´elula. Entretanto, ap´os aproximadamente 1ms, o movimento de difus˜ao de pot´assio (K+) cessa. A for¸ca de atra¸c˜ao das cargas
ne-gativas no interior celular ´e igual `a for¸ca de difus˜ao das cargas positivas e o sistema neste momento encontra o equil´ıbrio. Finalmente, a diferen¸ca de potencial entre o interior e o exterior celular, adotando a referˆencia no exterior celular, ´e de −94mV para os ´ıons de pot´assio.
O mesmo processo ocorre com os ´ıons de s´odio (N a+) existentes em abundˆancia no
a-2.1 Potenciais de membrana e potenciais de a¸c˜ao 19
vel somente aos ´ıons de (N a+), a difus˜ao ocorre do exterior para o interior at´e o momento em que as cargas negativas presentes no exterior celular que n˜ao atravessam a membrana exercem uma for¸ca de atra¸c˜ao igual `a for¸ca de difus˜ao. Neste momento o sistema en-contra o equil´ıbrio e a tens˜ao resultante ´e de +61mV para ´ıons de s´odio (N a+). Em
adi¸c˜ao, outros ´ıons podem existir no meio celular contribuindo para a tens˜ao de potencial de membrana, como o cloreto(Cl−) e c´alcio(Ca(2+)).
2.1.2
Potencial de Nerst e Potencial de difus˜
ao para membrana
perme´
avel a v´
arios ´ıons diferentes
O potencial el´etrico que impede a difus˜ao de ´ıons atrav´es da membrana celular ´e denominado Potencial de Nerst. O potencial de Nerst para qualquer ´ıon univalente na temperatura de 37°C pode ser calculado por (2.1).
F EM (mV ) = ±61log(Ci
Ce) (2.1)
Onde:
Ci - Concentra¸c˜ao do ´ıon interno a c´elula Ce - Concentra¸c˜ao do ´ıon externo a c´elula
Por´em, a membrana pode ser perme´avel a diversos ´ıons distintos. Para o c´alculo do potencial de difus˜ao estabelecido quando os ´ıons de (N a+), (K+) e (Cl−) est˜ao presentes
no meio celular, a (2.2), denominada de equa¸c˜ao Goldman-Hodgki-Katz ´e utilizada.
F EM (mV ) = ±61log (CiN a+PN a++ CiK+PK+ + CiCl−PCl−) (CeN a+PN a++ CeK+PK+ + CeCl−PCl−)
(2.2) Onde:
Cion - Concentra¸c˜ao do ´ıon no interior celular.
Ceone - Concentra¸c˜ao do ´ıon no exterior celular.
Pon - Permeabilidade do ´ıon pela membrana.
Os gradientes de concentra¸c˜ao t´ıpicos dos ´ıons de s´odio e pot´assio atrav´es de uma membrana neural em repouso s˜ao listados na Tabela 1.
Na membrana celular, existem prote´ınas que atuam como canais de vazamento como mostrado na Figura 1. Estes canais permitem livremente a passagem dos (N a+) e (K+),
por´em estes canais s˜ao 100 vezes mais perme´aveis para o (K+) do que para o (N a+). Portanto, atrav´es da equa¸c˜ao (2.2) alimentada dos dados da Tabela 1, o potencial de
Tabela 1: Gradientes de Concentra¸c˜ao T´ıpicos. ´Ion Concentra¸c˜ao Interna Concentra¸c˜ao Externa (N a+) 14 mEq/l 142 mEq/l
(K+) 140 mEq/l 4 mEq/l
membrana obtido ´e cerca de −86mV .
2.1.3
Transporte ativo e sua influˆ
encia no potencial de
mem-brana
A manuten¸c˜ao do estado de desbalanceamento iˆonico entre o meio interior e o exterior da c´elula ´e realizado pelo transporte ativo de ´ıons contra seu respectivo gradiente de concentra¸c˜ao. O mecanismo de transporte ativo ´e realizado por uma estrutura localizada na membrana celular denominada de bomba de s´odio e pot´assio, mostrado na Figura 2.
Na+
K+
Região Interna
Região Externa
Figura 1: Canal de vazamento [1].
Na+
K+
Região Interna
Região Externa
ATP
ADP
Figura 2: Bomba de s´odio e pot´assio [1].
A bomba de s´odio e pot´assio carrega continuamente trˆes ´ıons de s´odio para o exterior celular e simultˆaneamente carrega dois ´ıons de pot´assio para o interior celular. Sendo o transporte ´e feito contra gradiente de concentra¸c˜ao iˆonica, a bomba necessita de energia para funcionar, que ´e proveniente de mol´eculas ATP (adenosina trifosfato). De fato, o transporte cont´ınuo de mais ´ıons de s´odio para o exterior celular, comparado aos ´ıons de pot´assio para o interior, cria um d´eficit de cargas positivas dentro da c´elula. Con-sequentemente, existe um adicional de -4mV sobre o potencial de membrana calculado pela equa¸c˜ao (2.2). Portanto, o potencial de membrana de repouso ´e de -90 mV. Este valor de potencial de membrana ´e encontrado em grandes fibras musculares esquel´eticas e tamb´em em fibras nervosas de maior calibre. Todavia, em fibras nervosas delgadas, fibras
2.1 Potenciais de membrana e potenciais de a¸c˜ao 21
musculares menores e neurˆonios do sistema nervoso central, o potencial de membrana em repouso ´e de apenas -40 mV `a -60 mV.
Quando o potencial sobre a membrana est´a estabilizado no valor de repouso, ´e dito que a membrana est´a polarizada. Por´em, quando a magnitude da tens˜ao el´etrica sobre a membrana se torna menos negativa que um determinado limiar, ´e dito que a membrana se encontra despolarizada. Por outro lado, quando a tens˜ao el´etrica sobre a membrana ´e mais negativa que seu potencial de repouso, ´e dito que esta est´a hiperpolarizada. Es-tas varia¸c˜oes de tens˜ao sobre a membrana permitem a existˆencia do potencial de a¸c˜ao, fenˆomeno fundamental para a transmiss˜ao de informa¸c˜ao na maioria dos organismos vivos. O potencial de a¸c˜ao pode ser definido como uma r´apida varia¸c˜ao do potencial de membrana de um valor mais negativo para valores mais positivos em um determinado ponto de uma fibra nervosa, gerando assim uma despolariza¸c˜ao. Esta despolariza¸c˜ao percorre de uma extremidade a outra da fibra nervosa, como mostrado na Figura 3.
-90 mV
0 mV
D
e
sp
o
la
riz
a
çã
o
R
e
p
o
la
riz
a
çã
o
0
0.2
0.4 0.6
+ + + + + - - - + + + + + + + + + + +-V
+Voltímetro
Figura 3: O potencial de a¸c˜ao em uma fibra nervosa [1].
As c´elulas excit´aveis conduzem um potencial de a¸c˜ao seguindo o princ´ıpio do tudo ou nada. Segundo este princ´ıpio, as c´elulas excit´aveis necessitam de um est´ımulo adequado inicial para conduzir um potencial de a¸c˜ao que ser´a propagado por toda fibra. Isto ´e, para estes serem efetivos, eles devem ser suficientemente grandes para elevar o potencial de membrana acima de um limiar de tens˜ao dentro de um determinado tempo. Caso
contr´ario, nenhuma potencial de a¸c˜ao ser´a conduzido.
O potencial de a¸c˜ao somente ocorre porque a permeabilidade da membrana celular a espec´ıficos ´ıons, principalmente ao (N a+) e ao (K+), ´e tens˜ao e tempo dependente. Quando algum est´ımulo gera a despolariza¸c˜ao, a membrana celular se torna mais perme´ a-vel ao s´odio, permitindo que este entre para o meio intracelular. Conforme o s´odio entra, a permeabilidade da membrana tamb´em sofre um acr´escimo. Quando o est´ımulo provoca uma tens˜ao de membrana maior que o limiar, este processo ´e autossustent´avel, terminando assim na despolariza¸c˜ao da membrana. Sobre estas condi¸c˜oes, o potencial de membrana se aproximaria do potencial de Nerst para o ´ıon de s´odio, cujo valor ´e aproximadamente +60mV . O potencial de membrana n˜ao atinge este valor por que a permeabilidade da membrana ao ´ıon s´odio ´e dependente do tempo, assim, como um atraso no aumento no aumento da permeabilidade do ´ıon de pot´assio tende a hiperpolarizar a membrana celular, revertendo o valor da tens˜ao sobre a mesma. A Figura 4 relaciona o potencial de a¸c˜ao com a varia¸c˜ao das permeabilidades do s´odio e pot´assio no tempo.
Ek ms mS/cm 2 mVmV mV Período refratário absoluto
Período refratário relativo
0 1 2 3 4 10 20 30 20 En0 v gNa gK 0 -20 -40 -60 12 40
Figura 4: Varia¸c˜ao da permeabilidade dos ´ıons de s´odio e pot´assio durante o potencial de a¸c˜ao [2].
Na Figura 4 s˜ao identificados dois momentos principais: o per´ıodo refrat´ario abso-luto e o per´ıodo refrat´ario relativo. Durante per´ıodo refrat´ario absoluto ´e aquele que a membrana n˜ao responde a nenhum estimulo por maior que este seja. Todavia, durante per´ıodo refrat´ario relativo, a membrana ´e capaz de gerar novos potenciais de a¸c˜ao com
2.1 Potenciais de membrana e potenciais de a¸c˜ao 23
est´ımulos mais intensos e acima no limiar de disparo do potencial de a¸c˜ao quando a fibra normalmente polarizada.
2.1.4
Propaga¸
c˜
ao do potencial de a¸
c˜
ao
Considere um potencial de a¸c˜ao propagando ao longo de uma fibra nervosa amiel´ınica (fibras nervosas que n˜ao possuem bainha de mielina em torno dos axˆonios). Admitindo que o potencial de a¸c˜ao se propague da direita para esquerda, na Figura 5(a) ´e poss´ıvel identificar trˆes regi˜oes: regi˜ao de repolariza¸c˜ao, regi˜ao despolarizada e regi˜ao polarizada.
Membrana em repouso Direção de propagação Membrana despolarizada Membrana repolarizada Região ativa Meio
externo Circuitolocal
Axiônio + + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - - - - - - - -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ (a) (b) + -Bainha de mielina Nódulo de Ravier Célula Nó Ativo Axiôno Espaço Periaxional
Figura 5: Distribui¸c˜ao de cargas el´etricas na proximidade da regi˜ao de despolariza¸c˜ao [2].
Na se¸c˜ao da fibra que est´a despolarizada, a permeabilidade ao (N a+) ´e aumentada
muitas vezes. Portanto, cargas positivas carregadas pelo (N a+) aumentam o potencial de
membrana na vizinhan¸ca da regi˜ao do potencial de a¸c˜ao. Este fluxo de cargas representa-das pelas setas ´e denominado de ”circuito local”ou ”solenoidal”. Devido a queda de tens˜ao por efeito ˆohmico, as cargas positivas que entraram s˜ao somente capazes de aumentar o potencial de membrana acima do limiar para a manuten¸c˜ao do potencial de a¸c˜ao de 1 a 3 mm `a frente da regi˜ao que se encontra despolarizada. A transmiss˜ao do processo de despolariza¸c˜ao ao longo de fibra nervosa ou muscular ´e denominada de impulso nervoso ou muscular [1].
mie-l´ınicas. Diferentemente das c´elulas amiel´ınicas, a despolariza¸c˜ao da membrana celular somente ocorre nas regi˜oes denominadas n´odulos de Ravier. Nestes locais, a bainha de mielina n˜ao os cobre, permitindo trocas de ´ıons, processo fundamental para a transmiss˜ao de pulsos nervosos. Por outro lado, em regi˜oes envolvidas com a bainha de mielina, a per-meabilidade aos ´ıons ´e diminu´ıda em cerca de 5000 vezes, isolando a trocas de ´ıons com o meio externo. Portanto, nas regi˜oes cobertas n˜ao ocorre despolariza¸c˜ao da membrana celular.
2.2
Anatomia e fisiologia do sistema muscular
esque-l´
etico
O texto escrito neste sub cap´ıtulo ´e referenciado `a obra de [1].
2.2.1
Organiza¸
c˜
ao do m´
usculo esquel´
etico
Os m´usculos s˜ao ´org˜aos formados por numerosas fibras denominadas fibras musculares que se estendem por praticamente todo comprimento muscular. Cada fibra muscular ´e apenas inervada por apenas uma termina¸c˜ao nervosa, localizada aproximadamente na po-si¸c˜ao mediana da fibra. Por sua vez, as fibras musculares s˜ao constitu´ıdas de subunidades sucessivamente menores, como representado na Figura 6.
As fibras musculares s˜ao constitu´ıdas de uma estrutura denominada miofibrilas. As miofibrilas por sua vez, s˜ao constitu´ıdas de mol´eculas com cerca de 1500 filamentos de miosina e cerca de 3000 filamentos de actina. Ambas, s˜ao grandes mol´eculas de prote´ınas polimerizadas respons´aveis pela contra¸c˜ao muscular.
O aspecto de listas claras e escuras intercaladas, obtidas por uma microfotografia das miofibrilas, ´e consequˆencia da interdigita¸c˜ao da miosina e actina como indicado na Figura 6(E). As pequenas protuberˆancias externas presentes nas fibras de miosina 6(L), exceto na regi˜ao central, s˜ao denominadas de canais cruzados, e s˜ao estruturas fundamentais para a ocorrˆencia da contra¸c˜ao. Os filamentos de actinas s˜ao fixados a uma estrutura denominada de disco Z. Os discos Z s˜ao formados por prote´ınas filamentosas diferente da miosina e actina, e cortam transversalmente as miofibrilas oferecendo suporte mecˆanico `a miofibrila. Em adi¸c˜ao, os discos Z s˜ao tamb´em respons´aveis pela fixa¸c˜ao das miofibrilas entre si por toda fibra muscular. A se¸c˜ao da miofibrila delimitada entre dois discos Z consecutivos ´e denominada de sarcˆomero. Os sarcˆomeros possuem um comprimento m´edio de 2 um e,
2.2 Anatomia e fisiologia do sistema muscular esquel´etico 25 Fascículo muscular Fibra muscular Miofibrila Z-Sarcômero -Z Z F G H I H D E C B A Moléculas de actina G J Miofilamentos Filamentos de miosina F Molécula de miosina Z K L M N Filamentos de miosina Meromiosina leve Meromiosina pesada Músculo Banda H Disco Z Banda A Banda I
Figura 6: Estrutura muscular e sua subunidades [1].
nesta situa¸c˜ao, os filamentos de actina e miosina est˜ao apenas parcialmente sobrepostos entre si.
Um l´ıquido denominado de sarcoplasma, constitu´ıdo pelos componentes intracelulares comuns, banha as miofibrilas. O sarcoplasma ´e abundante em nutrientes como pot´assio, magn´esio, fosfatos e enzimas proteicas, e estruturas denominadas mitocˆondrias. As mi-tocˆondrias s˜ao estruturas respons´aveis pela forma¸c˜ao das mol´eculas de ATP, cuja fun¸c˜ao ´e o armazenamento de energia para a realiza¸c˜ao das atividades celulares. Uma estrutura imersa no sarcoplasma, chamada de ret´ıculo sarcoplasm´atico, desempenha uma fun¸c˜ao fundamental no controle da contra¸c˜ao.
2.2.2
Os filamentos de miosina e actina
Os filamentos de miosina s˜ao formados por grande quantidade de mol´eculas de mio-sina. As mol´eculas de miosina possuem um peso molecular por volta de 480000u e s˜ao representados na Figura 7.
A Cauda
2 cadeias pesadas
Cadeias leves
Filamentos de actina
Pontes cruzadas Dobradiças Corpo
Cabeça
Filamento de miosina B
Figura 7: Estrutura do filamento de miosina e sua intera¸c˜ao com os filamentos de actina [1].
sendo duas denominadas cadeias pesadas e outras quatro cadeias leves. As cadeias pesadas polipept´ıdicas s˜ao espiraladas entre si formando uma estrutura denominada de cauda como mostrado na Figura 7. Em uma das extremidades, as cadeias pesadas se separam, enrolando-se e consequentemente forma-se uma estrutura esf´erica denominada de cabe¸ca. Portanto, uma mol´ecula de miosina ´e dita possuir duas cabe¸cas, uma para cada cadeia pesada. As cadeias leves fazem parte da cabe¸ca e atuam no controle da cabe¸ca durante o processo de contra¸c˜ao muscular.
Os filamentos de miosina s˜ao constitu´ıdos por duzentas ou mais mol´eculas de miosina. O feixe principal do filamento denominado de corpo ´e constitu´ıdo de diversas caudas de mol´eculas de miosinas enfeixadas entre si. As cabe¸cas das mol´eculas de miosina s˜ao afastadas do corpo do filamento por uma estrutura denominada de bra¸co. O conjunto estrutural - cabe¸ca e bra¸co- de cada mol´ecula de miosina ´e denominado de ponte cruzada. Acredita-se que estas estruturas possua dois pontos dobr´aveis ou dobradi¸cos que permitem afastar ou distanciar as cabe¸cas da mol´ecula de miosina do corpo do filamento, portanto, esta estrutura seria a respons´avel pelo processo contra¸c˜ao.
O comprimento de cada filamento ´e de aproximadamente de 1, 6µm e estes se esten-dem para longe do centro, como visto na Figura 7(b), pois no centro do filamento n˜ao existem pontes cruzadas. Para garantir a distribui¸c˜ao espacial de pontes cruzadas ho-mogeneamente em todas as dire¸c˜oes, uma ponte cruzada ´e axialmente separada de suas
2.2 Anatomia e fisiologia do sistema muscular esquel´etico 27
vizinhas em 120°.
A cabe¸ca de cada mol´ecula de miosina ´e capaz de funcionar com uma enzima ATPase, isto ´e, ela ´e capaz de clivar o ATP para a obten¸c˜ao de energia da liga¸c˜ao de fosfato para a contra¸c˜ao muscular acontecer.
O filamento de actina ´e constitu´ıdo de trˆes tipos de prote´ınas: actina, tropomiosina e troponina. O filamento de actina ´e formado por duas cadeias de prote´ına actina - F enroladas helicoidalmente entre si como mostrado na Figura 8. Cada cadeia de actina ´e constitu´ıda de aproximadamente de 13 mol´eculas polimerizadas de actina - G por revo-lu¸c˜ao onde cada revolu¸c˜ao possui .70nm. Uma mol´ecula de Adenosina difosfato (ADP) ´e ligada a cada mol´eculas de actina- G. Acredita-se que estas mol´eculas de ADP s˜ao s´ıtios ativos onde as pontes cruzadas se firmam durante o processo de contra¸c˜ao muscular. As cadeias de actina possuem aproximadamente 1 um. Seu ponto mediano ´e apoiado sobre os discos Z e as extremidades de ambas as pontas se projetam para os espa¸cos entre os filamentos de miosina.
Complexo da troponina Sítio ativo
Actina-F Tropomiosina
Figura 8: Estrutura do filamento de actina [1].
As mol´eculas de tropomiosina tˆem peso molecular de 7000u e comprimento de 40nm. Elas s˜ao frouxamente presas as cadeias de actina-F. Acredita-se que as mol´eculas de tropomiosina em estado de repouso fiquem sobre os s´ıtios ativos, portanto, evitando a contra¸c˜ao.
A terceira prote´ına que forma o complexo do filamento de actina ´e a troponina. A troponina ´e formada por um complexo de trˆes subunidades denominadas de troponina I, troponina T, e tropopnina C. A troponina I possui grande atra¸c˜ao pela actina. A troponina T possui grande atra¸c˜ao pela tropomiosina e a troponina C possu´ı grande afinidade por ´ıons de c´alcio, sendo a ´ultima considerada respons´avel por desencadear o processo de contra¸c˜ao quando existe a presen¸ca de ´ıons de c´alcio.
2.2.3
A contra¸
c˜
ao muscular
A contra¸c˜ao muscular se inicia quando um potencial de a¸c˜ao proveniente de um nervo motor atinge a termina¸c˜ao do nervo presente na fibra muscular. Ao est´ımulo de um
poten-cial de a¸c˜ao, a termina¸c˜ao nervosa libera uma pequena quantidade de um neurotransmis-sor denominado acetilcolina, o que provoca a abertura de canais acetilcolina dependentes. Consequentemente, o potencial de a¸c˜ao continua trafegando pela membrana da fibra mus-cular da mesma maneira que o potencial de a¸c˜ao trafega pelas membranas neurais. Os potenciais de a¸c˜ao tamb´em se propagam para camadas mais profundas das fibras mus-culares. Por sua vez, os potenciais de a¸c˜ao trafegando no interior da fibra, estimulam os ret´ıculos sarcoplasm´aticos a liberarem ´ıons de c´alcio para as miofibrilas. Finalmente, a troponina presente nos filamentos de actina, sendo sens´ıvel aos ´ıons de c´alcio, captura os provocando uma deforma¸c˜ao conformacional nas mol´eculas de tropomiosina de tal forma que estas descobrem os s´ıtios ativos presente nos filamentos de actina. Por sua vez, as cabe¸cas das pontes cruzadas no filamento de miosina se aderem a cada s´ıtio ativo, por-tanto fazendo com que os filamentos de actina e miosina se deslizem entre si, processo representado na Figura 9. Z I A Relaxado Contraído Z I I A I Z Z
Figura 9: Processo de contra¸c˜ao muscular [1].
2.2.4
Excita¸
c˜
ao do m´
usculo esquel´
etico
A ´area na aonde o neuro motor encontra a fibra muscular ´e denominada de jun¸c˜ao neuro muscular. A jun¸c˜ao neuro muscular ´e representada na Figura 10. A fibra nervosa se ramifica pr´oxima a sua extremidade para construir o complexo de terminais nervosos que se invaginam na fibra muscular, por´em n˜ao atravessam a membrana plasm´atica da fibra muscular. A estrutura formada ´e denominada de placa motora. A placa motora ´e recoberta por c´elulas de Schwann que isola a placa motora dos l´ıquidos circundantes. A invagina¸c˜ao da membrana muscular ´e denominada de goteira sin´aptica. O espa¸co entre membrana neural e membrana muscular dentro da goteira sin´aptica ´e denominado de fenda sin´aptica. A fenda sin´aptica ´e ocupada por uma camada de fibras reticulares esponjosas
2.2 Anatomia e fisiologia do sistema muscular esquel´etico 29
denominadas de lˆamina basal. Na base da goteira sin´aptica existem dobras na membrana celular da fibra muscular denominadas de pregas, que aumentam a ´area de contato da membrana plasm´atica do m´usculo com o transmissor sin´aptico.
Célula teloglial Axônio Pregas subneurais Vesículas sinápticas Terminal axônico na goteira sináptica Miofibrilas Ramos terminais neurais Bainha de mielina A B C
Figura 10: Placa motora [1].
No terminal do axˆonio existe alta concentra¸c˜ao de mitocˆondrias fornecedoras de ener-gia para o processo de s´ıntese da neurotransmissora acetilcolina. A acetilcolina ´e formada no citoplasma do axˆonio e rapidamente absolvida pelas centenas de milhares de pequenas ves´ıculas sin´apticas presentes no local. Por outro lado, a lˆamina basal ´e repleta de enzima acetilconinesterase, cuja fun¸c˜ao ´e destruir a neurotransmissora acetilcolina.
Dentro da membrana neural existe uma estrutura denominada barra densa. A barra densa cont´em prote´ınas que atravessam a membrana celular e acredita-se que na verdade estas prote´ınas sejam canais de c´alcio-tens˜ao dependentes. No momento em que um potencial de a¸c˜ao atinge o local, os canais de c´alcio s˜ao abertos. Consequentemente, os ´ıons de c´alcio do exterior entram no terminal do axˆonio, provocando uma atra¸c˜ao da membrana neural com as barras densas. Finalmente, as ves´ıculas sin´apticas presentes no local da atra¸c˜ao acabam se fundido a membrana celular, liberando acetilcolina na fenda sin´aptica.
Abaixo das barras densas e pertos das fendas neurais, existem canais iˆonicos acetilco-lina dependentes, conforme pode ser visualizado na Figura 11.
Vesículas Membrana
neural Barra densa
Canais de cálcio
Receptores para acetilcolina
Prega subneurall Membrana muscular Sítios de liberação Lâmina basal e acetilcolinesterase
Figura 11: Fenda Neural [1].
acetilcolina, ´ıons de s´odio, pot´assio e c´alcio passam pelo canal adentrando pela membrana da fibra muscular, elevando o potencial de membrana ou potencial de placa motora acima do limiar e disparando um novo potencial de a¸c˜ao. Para evitar o disparo sucessivo de potenciais de a¸c˜ao, a acetilcolina ´e destru´ıda em grande parte pela enzima acetilcolines-terase.
O potencial de a¸c˜ao se propaga pela fibra muscular conforme citado anteriormente. Por´em, para a contra¸c˜ao ocorrer, o potencial de a¸c˜ao deve percorrer at´e os ret´ıculos sarcoplasm´aticos pr´oximos ao filamento de miosina e actina. Por´em a fibra ´e muito grossa para que o potencial de a¸c˜ao chegue at´e profundidade maiores dentro da fibra aonde est˜ao a maioria dos sarcˆomeros. Para isto, existe uma estrutura denomina de t´ubulo transverso. O t´ubulo transverso pode ser visto como um aprofundamento da membrana celular na fibra muscular. Ele cont´em l´ıquido extracelular permitindo, portanto que ele se despolarize assim como a membrana, e consequentemente, levando o potencial de a¸c˜ao a locais mais profundos na fibra. A Figura 12 mostra o sistema de t´ubulos transversos e seu acoplamento com o ret´ıculo sarcoplasm´atico.
O ret´ıculo sarcoplasm´atico cont´em duas partes: t´ubulo longitudinais que percorrem paralelamente as miofibrilas, e cisternas terminais que s˜ao estruturas que se acoplam aos t´ubulos T.
Assim que o potencial de a¸c˜ao atinge os ret´ıculos sarcoplasm´aticos, estes liberam c´alcio, que resulta em contra¸c˜ao. O processo ´e exemplificado pela Figura 13.
2.2 Anatomia e fisiologia do sistema muscular esquel´etico 31 Retículo sarcoplasmático Miofibrilas Banda A Cisternas terminais Túbulo transverso Mitocôndria Túbulo transverso Sarcolema Banda I Linha Z Triade do retículo Sarcotúbulos
Figura 12: Estrutura de t´ubulos transversos e sua liga¸c˜ao com ret´ıculo sarcoplasm´atico [1].
2.2.5
Contra¸
c˜
ao isom´
etrica versus contra¸
c˜
ao isotˆ
onica
A contra¸c˜ao isom´etrica ´e aquela que o m´usculo n˜ao se encurta durante a contra¸c˜ao, por´em a contra¸c˜ao isotˆonica encurta o m´usculo, mas a carga sobre o m´usculo ´e mantida constante.
2.2.6
Estrat´
egias para a varia¸
c˜
ao da for¸
ca de contra¸
c˜
ao -
Soma-¸
c˜
ao
A soma¸c˜ao ´e a soma conjunto de contra¸c˜oes realizadas por unidades motoras distintas de forma isolada visando o aumento da for¸ca de contra¸c˜ao. Existem duas estrat´egias de controle que o sistema nervoso central utiliza para aumentar a for¸ca de contra¸c˜ao de um determinado m´usculo. A primeira estrat´egia consiste em aumentar o n´umero de unidades motoras disparadas ao mesmo tempo, esta estrat´egia ´e conhecida como soma¸c˜ao de fibras m´ultiplas. A segunda estrat´egia, denominada soma¸c˜ao por frequˆencia, consiste em aumentar a frequˆencia de disparo de potencial de a¸c˜ao para controle do m´usculo e consequentemente, aumentando a frequˆencia de contra¸c˜ao muscular.
Estrat´egia 1 - Soma¸c˜ao de fibras m´ultiplas
Necessidade de ATP Ca Ca Ca++ Ca++ Sarcolema Bomba de cálcio
Filamentos de actina Filamentos de miosina Potencial de ação
Figura 13: Processo de excita¸c˜ao da contra¸c˜ao muscular [1].
unidades motoras menores, isto ´e, aquelas que possuem fibras musculares menores e em menor quantidade. Assim que seja necess´ario aumentar a for¸ca de contra¸c˜ao, o sistema nervoso central envia est´ımulos a unidades motoras sucessivamente maiores. Este princ´ıpio ´e conhecido como princ´ıpio do tamanho, isto ´e, a varia¸c˜ao de for¸ca quando a contra¸c˜ao ´e pequena varia em pequenos degraus e conforme a for¸ca aumenta, estes degraus de varia¸c˜ao de for¸ca aumentam. Para manter a contra¸c˜ao em curso regular, a medula espinhal excita alternadamente e assincronamente a quantidade de unidades motoras necess´arias para a gera¸c˜ao de uma determinada contra¸c˜ao.
Estrat´egia 2 - Soma¸c˜ao por frequˆencia e tetaniza¸c˜ao
A estrat´egia de soma¸c˜ao por frequˆencia segue a l´ogica mostrada na Figura 14. Para frequˆencias de estimulo menores, a for¸ca de contra¸c˜ao aumenta e volta a zero. Por´em, assim que a frequˆencia de estimulo aumenta, a for¸ca de contra¸c˜ao no final da primeira contra¸c˜ao se soma a for¸ca de contra¸c˜ao no in´ıcio da segunda contra¸c˜ao e assim progressiva-mente ocorre com o aumento da frequˆencia de est´ımulo. Por´em, quando a frequˆencia dos potencias de a¸c˜ao advindos aumentar acima de um valor limiar, as contra¸c˜oes sucessivas praticamente se fundem entre si, portanto mantendo a contra¸c˜ao constante e cont´ınua. Este processo ´e denominado de tetaniza¸c˜ao. Mas o processo de aumento de for¸ca s´o ocorre at´e um determinado limite de frequˆencia de estimula¸c˜ao, al´em dele a quantidade de for¸ca de contra¸c˜ao fica saturada.
2.3 A forma¸c˜ao do sinal de eletromiografia. 33
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Tetanização
Força da contração muscular
Frequência de estimulação (vezes por segundo)
Figura 14: Soma¸c˜ao por freq¨uˆencia e tetaniza¸c˜ao [1].
2.3
A forma¸
c˜
ao do sinal de eletromiografia.
O texto escrito neste sub capitulo ´e referenciado `a obra [3]. Esta n˜ao ser´a mais citada exceto se for utilizada outra fonte.
2.3.1
Capta¸
c˜
ao por eletrodos de superf´ıcies (sEMG)
Todas as ramifica¸c˜oes terminais de um moto neurˆonio s˜ao excitadas por um mesmo potencial de a¸c˜ao proveniente do sistema nervoso. Este sinal por sua vez ´e transferido para as fibras musculares por meio das placas neurais localizadas, em grande parte, apro-ximadamente na por¸c˜ao central da fibra. O potencial de a¸c˜ao percorre os dois sentidos da fibra e termina em ambas as extremidades. Finalmente, o potencial de a¸c˜ao percorrendo a fibra desencadeia a contra¸c˜ao muscular. A soma alg´ebrica temporal do campo el´etrico de cada potencial de a¸c˜ao de uma determinada unidade motora ´e denominada de potencial de unidade motora(MUAP). A forma¸c˜ao da MUAP ´e exemplificado pelo esquema mostrado na Figura 15.
Cada sinal potencial de a¸c˜ao captado pelos eletrodos que contribui para a forma¸c˜ao de uma determinada MUAP ´e dependente da distˆancia da fibra da ´area onde est˜ao posicio-nados os eletrodos, das caracter´ısticas el´etricas dos tecidos a volta de cada fibra muscular, do diˆametro da fibra muscular, da propriedade de filtragem dos eletrodos e da distˆancia entre eletrodos.
Devido a quest˜oes t´ecnicas, o sinal el´etrico muscular ou eletromiograma ´e aquisitado diferencialmente e com eletrodos tipicamente bipolares. Nesta estrutura de sensor, nota-se que os potencias de a¸c˜ao possuem um formato bipolar onde a polaridade ´e dependente da
posi¸c˜ao do eletrodo positivo em rela¸c˜ao a dire¸c˜ao de deslocamento do potencial de a¸c˜ao. 1 2 i n h(t)
=
....
...
...
.
Potencial de ação de unidade motora
(MUAP)
Local de Gravação Motoneurônio Fibra muscular Arranjo Geométrico do eletrodos e fibras ativas Tecido Função de transferência (Frequencia e distância) Superposição do potenciais de ação+
+
+
Figura 15: Forma¸c˜ao da MUAP [3].
Por´em, cada potencial de a¸c˜ao que constituem as MUAPs e deslocado em fase devido `
a diferen¸ca de velocidade de condu¸c˜ao em cada fibra, diferen¸ca do comprimento das rami-fica¸c˜oes do motoneurˆonio assim como a distˆancia da placa neural `a posi¸c˜ao dos eletrodos. A velocidade de condu¸c˜ao t´ıpica de um potencial de a¸c˜ao muscular varia entre 2 e 6 m/s. Quando eletrodos em forma de agulha s˜ao inseridos no m´usculo, os potenciais de a¸c˜ao possuem entre 50 uV a 3000 uV de amplitude e dura¸c˜ao de 1 a 10 ms [4].
Ap´os uma MUAP, os m´usculos se contraem em um breve espa¸co temporal e voltam ao estado de repouso. A fim de manter a contra¸c˜ao, o sistema nervoso envia uma suces-s˜ao de MUAPs denominado de MUAPT. Se as condi¸c˜oes que definem uma determinada MUAP n˜ao se alteraram, todos os potenciais de unidade motora ter˜ao o mesmo formato. O tempo entre MUAPs que constituem uma MUAPT ´e denominado de intervalo entre pulsos (IPI). O IPI ´e descrito como uma vari´avel randˆomica com propriedades estat´ısticas caracter´ısticas. Um histograma pode representar o IPI e para seu c´alculo ´e recomendado usar amostras pequenas de MUAPTs com menos de 10s.
Em um m´usculo normal, as unidades motoras n˜ao disparam em intervalos constantes. Portanto, o disparo de uma unidade motora ´e caracterizado pela taxa de disparo m´edia,
2.3 A forma¸c˜ao do sinal de eletromiografia. 35
equivalente a m´edia de sucessivos IPI.
As fibras musculares de uma unidade motora est˜ao espalhadas aleatoriamente por uma se¸c˜ao muscular e entrela¸cadas com fibras e outras unidade motoras. De fato, o sinal resultante captado pelo eletrodo de superf´ıcie ´e a soma alg´ebrica de diversas MUAPT provenientes de unidades motoras distintas.
A Figura 16 resume a forma¸c˜ao de um sinal de sEMG.
Corda Espinhal Anatomia Modelo fisiológico Instrumentação h2(t) h1(t) hi(t) hs(t) r(t)
+
Delta de Dirac Potenciais de ação de unidade motora Trens Sinal fisiológico Σ Local de gravação Sinal gravado Eletrodo e equipmento de gravação m(t,F) n(t) mp(t,F)
Figura 16: Representa¸c˜ao esquem´atica da forma¸c˜ao do sinal de sEMG [3].
Para facilidade de modelagem, considera-se cada potencial de a¸c˜ao como um delta de Dirac convolu´ıdo com o sinal hx(t), onde x representa a enumera¸c˜ao das unidades
motoras. Posteriormente todos os potencias de unidade motora s˜ao somados, o sinal mp(t, F ) ´e constru´ıdo, representando a sobreposi¸c˜ao de diversas MUAPT. O sinal mp(t, F )
´e adicionado do ru´ıdo n(t) que em seguida ´e filtrado pelos eletrodos e pelo equipamento de aquisi¸c˜ao, e finalmente o sinal obtido ´e o m(t, F ).
2.4
Eletrodos e interface pele-eletrodo
O texto escrito neste sub-capitulo ´e referenciado nas obras de [2] e [4], que n˜ao ser˜ao mais referenciadas ao longo do texto. Caso a fonte seja outra, estar´a expl´ıcita.
2.4.1
Interface eletrodo-eletrol´ıtico e potencial de meia c´
elula
Os biopotenciais s˜ao correntes de cargas conduzidas pela movimenta¸c˜ao de ´ıons. Em contrapartida, os amplificadores presentes nos equipamentos captadores de biopotencial amplificam sinais transmitidos por corrente el´etrica. Portanto, os eletrodos s˜ao usados como transdutor de corrente iˆonica para corrente el´etrica. O fenˆomeno respons´avel pela transdu¸c˜ao do sinal ´e chamado de interface eletrodo-eletrol´ıtico.
Quando metais est˜ao em contato com solu¸c˜oes eletrol´ıticas, como mostrado na Figura 17, ´ıons met´alicos (c´ations) se difundem para a solu¸c˜ao eletrol´ıtica (rea¸c˜ao oxida¸c˜ao) e ´ıons da solu¸c˜ao eletrol´ıtica (ˆanions) se combinam com o eletrodo met´alico (rea¸c˜ao de redu¸c˜ao). Esta movimenta¸c˜ao altera a quantidade de cargas na interface do eletrodo na solu¸c˜ao eletrol´ıtica. Consequentemente, os c´ations se descarregam na solu¸c˜ao eletrol´ıtica fornecendo el´etrons para a entrada o amplificador e os ˆanions v˜ao at´e a interface para descarregar a sua carga [12]. Quando a rea¸c˜ao qu´ımica de oxida¸c˜ao/redu¸c˜ao atinge o equil´ıbrio, uma diferen¸ca de potencial ´e desenvolvida, denominada de potencial de meia c´elula. A redistribui¸c˜ao de carga ap´os a estabiliza¸c˜ao na interface eletrodo-eletrol´ıtico polariza as cargas positivas de um lado e negativas de outro, como um capacitor, formando uma camada denominada dupla camada el´etrica, como ilustrado na Figura 17;
C
C
C
C
C
C
C
+ + +A
A
-e
e
-Eletrodo Eletrolítica
2.4 Eletrodos e interface pele-eletrodo 37
O potencial de meia c´elula se altera quando existe corrente el´etrica atravessando a interface. A diferen¸ca de potencial de meia c´elula e de potencial gerado quando existe a passagem de corrente de cargas el´etricas ´e denominado sobrepotencial ou ”overpotencial”. As causas do sobrepotencial s˜ao:
1) Queda de tens˜ao pela passagem de corrente el´etrica devido `a resistˆencia ˆohmica da substˆancia eletrol´ıtica.
2) Diferentes taxas de velocidade das rea¸c˜oes qu´ımicas de oxida¸c˜ao e redu¸c˜ao, o que leva a altera¸c˜ao na concentra¸c˜ao de ´ıons.
3) A rea¸c˜ao qu´ımica de oxida¸c˜ao e redu¸c˜ao n˜ao s˜ao totalmente revers´ıveis, isto ´e, para a oxida¸c˜ao acontecer, a rea¸c˜ao qu´ımica deve superar uma barreira de energia ou barreira de ativa¸c˜ao, a qual governa a cin´etica da rea¸c˜ao. Por´em a quantidade energia de energia para haver redu¸c˜ao deste mesmo ´ıon n˜ao ´e necessariamente a mesma. Finalmente, a consequˆencia ´e o surgimento de uma diferen¸ca de potencial adicional entre o eletrodo e a solu¸c˜ao eletrol´ıtica.
2.4.2
Circuito equivalente de um eletrodo
A interface eletrodo-eletrol´ıtico apresenta comportamento n˜ao linear tens˜ao-corrente dependente. Portanto, eletrodos com alta densidade de corrente se comportam de maneira diferente de eletrodos baixa densidade de corrente. Por´em, os eletrodos de biopotenci-ais podem ser modelados como elementos b´asicos de circuito el´etrico. Na Figura 18, a fonte de tens˜ao Ehc representa o potencial de meia c´elula. A resistˆencia Rd ´e a
resis-tˆencia Far´adica de fuga que representa a resistˆencia parasita da dupla camada el´etrica. A capacitˆancia Cd representa o capacitor formado pela dupla camada el´etrica na
inter-face eletrodo-eletrol´ıtica. A resistˆencia Rs representa os efeitos resistivos da substˆancia
eletrol´ıtica e outros efeitos de interfaceamento.
E
hcR
dC
dR
s+
2.4.3
Circuito equivalente dos eletrodos de superf´ıcie aplicados
`
a pele
Os potenciais de a¸c˜ao gerados pelos m´usculos alteram a concentra¸c˜ao de ´ıons no meio extracelular, e de certa maneira, o potencial el´etrico dos tecidos ao redor. Os efeitos no meio extracelular das MUAPs, que acontecem simultaneamente sobre o m´usculo de interesse, s˜ao somados e s˜ao modelados como uma fonte de tens˜ao Eb, como representado na Figura 19.
Por´em, a pele que recobre todo corpo ´e constitu´ıda de camadas, exemplificadas na Fi-gura 20, que s˜ao modeladas el´etricamente pelos elementos na Figura 19. Esses parˆametros s˜ao:
Ep1, Ep2 - Potencial de pele - A primeira fra¸c˜ao do potencial de pele ´e originada na
camada Stratum Corneum da pele. Esta camada ´e formada por tecido morto de material queratinoso que se comporta como uma membrana semiperme´avel aos ´ıons, portanto adicionando um n´ıvel DC ao sinal, teoricamente calcul´avel pela equa¸c˜ao de Nerst. A segunda fra¸c˜ao do potencial de pele ´e formado pela movimenta¸c˜ao dos eletrodos e/ou dobramento da pele, que por sua vez, alteram a distribui¸c˜ao de cargas el´etricas, portanto gerando um per´ıodo de potencial el´etrico transit´orio consequente da reacomoda¸c˜ao das cargas.
Cs, Rs - Capacitˆancia e resistˆencia equivalente dos tecidos vivos da pele.
Eb Rs Cs R’s Rf1 R1 C1 E1 p1 E Rf1 E1 R2 C2 p2 E Rf2 E2
1
2
2.5 Eletromiografia 39
{
{
{
Stratum corneum Epidermis Dermis Camada subcutâneo Glândula de suor Ducto de suor Volta capilar papillae Poro de suor Corium Stratum germinativum Stratum granulosum ‘Barreira’Figura 20: Camadas da pele [2].
2.5
Eletromiografia
Os eletromiogramas s˜ao os sinais tra¸cados em um gr´afico que representam a ativi-dade el´etrica dos m´usculos. Estes sinais s˜ao captados por equipamentos denominados de eletromi´ografos. Um eletromiograma sem p´os-processamento, denominado sinal de EMG bruto, ´e mostrado na Figura 21.
De acordo com [5], quando um m´usculo est´a relaxado uma linha de base deve ser observada, cujo ru´ıdo depende de alguns fatores como qualidade do circuito de amplifica-¸c˜ao, ru´ıdo ambiente e a qualidade do processo de detec¸c˜ao. Adicionalmente, a linha de base n˜ao deve possuir uma amplitude maior que 5µVrms, sendo objetivo mante-la de 1 a
2 µVrms. Devido `a natureza ca´otica do sinal de EMG bruto (a configura¸c˜ao das unidades
motoras de um m´usculo recrutadas se altera durante a contra¸c˜ao), os picos presentes nos sinais n˜ao s˜ao reproduz´ıveis. Para tanto, se utiliza t´ecnicas de suaviza¸c˜ao do sinal como RMS, m´edia m´ovel ou retifica¸c˜ao e filtragem. Os sinais de EMG possuem frequˆencias de 6 a 500Hz onde a maior concentra¸c˜ao de frequˆencias ocorre entre 20-60Hz.
2.5.1
Ru´ıdos
A grande faixa de amplitude de sinal que um eletromi´ografo ´e capaz de detectar, de poucos µV at´e mV , torna o equipamento propenso `a capta¸c˜ao de ru´ıdos externos. Segundo [5], as interferˆencias mais comuns s˜ao listadas abaixo:
Camada subcutâneo Período de descanso Picos de amplitude não reproduzíveis Linha de base tempo(ms) Microvolts Explosão de contração ativa
{
{
Figura 21: Sinal de EMG bruto de 3 contra¸c˜oes do m´usculo M. Biceps branchii [5].
Ru´ıdos de origem el´etrica provenientes de acoplamento eletromagn´etico entre o corpo humano e a rede el´etrica. Este tipo de ru´ıdo possui frequˆencias de 50/60Hz somado com as suas respectivas harmˆonicas.
Varia¸c˜oes de linha de base
A varia¸c˜ao de linha de base ´e um ru´ıdo de baixa frequˆencia causado pela movimenta¸c˜ao mecˆanica do eletrodo em rela¸c˜ao a barriga do m´usculo, ponto qual ´e usado para a capta¸c˜ao de EMG. Esta perturba¸c˜ao do sinal ´e consequˆencia do potencial el´etrico transit´orio que surge na regi˜ao dos eletrodos pela redistribui¸c˜ao de cargas el´etricas.
Interferˆencia do eletrocardiograma
Quando o sensor ´e posicionado sobre m´usculos localizados perto da regi˜ao c´ardiaca, pode aparecer interferˆencia do sinal de eletrocardiograma.
2.6
Arquitetura de instrumenta¸
c˜
ao de EMG
2.6.1
Amplificadores e caracter´ısticas
Os biopotenciais s˜ao captados por amplificadores diferenciais cujas entradas est˜ao conectadas aos eletrodos, que por sua vez s˜ao posicionados acima do m´usculo investigado. O amplificador mede a diferen¸ca de potencial sobre a pele e amplifica o sinal entre 1.000 e 1.000.000 de vezes, dependendo do tipo da aplica¸c˜ao [13]. Entretanto, ru´ıdos provenientes do ambiente externo de origem el´etrica, t´ermica e instabilidade eletroqu´ımica dos eletrodos [13] se misturam ao sinal de interesse, e s˜ao classificados em dois tipos: Ru´ıdo de Modo Comum e Ru´ıdo de Modo Diferencial.
2.6 Arquitetura de instrumenta¸c˜ao de EMG 41
os eletrodos. A principal fonte de ru´ıdo de modo ´e a irradia¸c˜ao eletromagn´etica proveni-ente da rede el´etrica. Todavia, outras frequˆencias podem estar presentes, que podem ser emitidas por equipamentos eletroeletrˆonicos pr´oximos ao sensor[14]. Em segundo plano, sinais fisiol´ogicos distantes s˜ao tamb´em fonte de ru´ıdo de modo comum [13]. O ampli-ficador diferencial amplifica principalmente a diferen¸ca de potencial entre suas entradas, e devido as n˜ao idealidades, sinais de modo comum acabam por aparecerem na sa´ıda do amplificador, atenuados a taxa de rejei¸c˜ao de modo comum (CMRR).
Os ru´ıdos de modo diferencial s˜ao aqueles que aparecem com amplitudes diferentes nas entradas e s˜ao amplificados, portanto, um est´agio de filtros deve ser utilizado para eliminar este tipo de interferˆencia.
2.6.2
Filtros
De acordo com [13], a filtragem ´e uma etapa essencial em sistemas de capta¸c˜ao de potenciais, pois espera-se que o sistema rejeite os ru´ıdos sem altera¸c˜ao de amplitude ou fase tem todo espectro de frequˆencia, para que o sinal seja o mais fiel poss´ıvel.
A filtragem possui trˆes fun¸c˜oes b´asicas. A primeira ´e a redu¸c˜ao de ru´ıdos, a segunda ´e a supress˜ao de interferˆencia de potencias pela redu¸c˜ao da banda (o sinal de interesse n˜ao deve ser distorcido)[13].
Para sele¸c˜ao da banda de frequˆencia de interesse, s˜ao utilizados trˆes tipos de filtros, que podem ser implementados por circuitos anal´ogicos ou por processamento digital.
O primeiro filtro comumente utilizado em EMG ´e o filtro passa-alta para a elimina¸c˜ao de ru´ıdos gerados pela movimenta¸c˜ao mecˆanica do sensor , denominados artefatos de movimenta¸c˜ao. O segundo tipo de filtro utilizado em EMG ´e o filtro passa-baixa para a limita¸c˜ao da banda de frequˆencia do sinal. O terceiro tipo ´e o filtro Notch, utilizado para a elimina¸c˜ao ou redu¸c˜ao das interferˆencias da rede el´etrica.
2.6.3
Conversor anal´
ogico digital
Os sinais de EMG amostrados s˜ao anal´ogicos, por outro lado, o processamento e an´alise do sinal s˜ao realizados em computadores, para tanto se faz necess´ario `a convers˜ao do sinal anal´ogico para o digital. Esta convers˜ao ´e realizada pelo conversor A/D.
Entretanto, devem-se tomar algumas precau¸c˜oes para garantir representa¸c˜ao fiel do sinal. A frequˆencia de amostragem deve respeitar o teorema de Nyquist, o qual afirma que
a frequˆencia de amostragem deve ser no m´ınimo duas vezes maior que a m´axima frequˆencia do sinal. Contudo, para facilidade computacional de reconstru¸c˜ao do sinal pela liga¸c˜ao dos pontos de amostragem, a frequˆencia de amostragem deve ser de 5-10 vezes a maior frequˆencia do sinal [13].
2.7
Quantifica¸
c˜
ao e an´
alise do sinal
2.7.1
P´
os-Processamento
Devido `a natureza ca´otica do sinal de EMG bruto, algumas estrat´egias de an´alise foram criadas. Segundo [5], a retifica¸c˜ao da onda para elimina¸c˜ao da parte negativa do sinal, a obten¸c˜ao da m´edia m´ovel do sinal retificado e o c´alculo da energia do sinal de EMG bruto pelos algoritmos RMS s˜ao procedimentos utilizados para a quantifica¸c˜ao e an´alise do sinal. Adicionalmente, [15] cita a transformada de Fourrier como ferramenta de an´alise do sinal.
2.8
Estado da arte
2.8.1
Hist´
oria
As primeiras documenta¸c˜oes sobre os experimentos relacionados com EMG s˜ao da-tados de 1666, dos trabalhos de Francesco Redi com peixes el´etricos. Em 1773, Walsh demonstrou que o m´usculo de enguia ´e capaz de se descarregar el´etricamente. Entretanto, somente por volta de 1790, os trabalhos de Galvani obtiveram uma rela¸c˜ao direta entre a contra¸c˜ao muscular e a eletricidade. Com o advento do galvanˆometro em 1800, ferramenta utilizada para a medi¸c˜ao de corrente, Du Bois-Reymond anunciou a primeira evidˆencia de atividade el´etrica em m´usculos humanos durante contra¸c˜oes volunt´arias. Em 1920, Gasser e Newcomer usaram o rec´em inventado oscilosc´opio para visualizar os sinais el´etricos dos m´usculos. Esta pesquisa rendeu `a eles o prˆemio Nobel em 1944 [16]. E desde ent˜ao, com a evolu¸c˜ao tecn´ologica da eletrˆonica, os equipamentos de eletromiografia tˆem se tornado cada vez menores.
Em 1950, o primeiro equipamento de eletromiografia lan¸cado no mercado foi o DISA 13A67, cuja foto ´e mostrado na Figura 22. Constru´ıdo com circuitos totalmente anal´ o-gicos, ele possuia 3 canais de eletromiografia utilizando eletrodos com fios, uma tela de tubo de raios cat´odicos para tra¸car o sinal em um gr´afico, sistema de ´audio para
avalia-2.8 Estado da arte 43
¸c˜ao do sinal por meio auditivo e um sistema de armazenamento da informa¸c˜ao em papel fotogr´afico cuja revela¸c˜ao era feita em sala escura [6].
Figura 22: Primeiro eletromiografo comercial [6].
Com o advento da eletrˆonica digital entre 1973 e 1982, os equipamentos passaram a incluir novas funcionalidades e se tornaram mais complexos, como a inser¸c˜ao de m´odulos para contagem de voltas no sinal, medida de amplitude, an´alise de jitter com trigger duplo e an´alise temporal. Al´em disso, os equipamentos passaram a digitalizar o sinal e imprimir as informa¸c˜oes em papel em impressoras de tempo real [6]. A Figura 23 mostra um exemplo de equipamento desta gera¸c˜ao.
Figura 23: Eletromi´ografo com circuito digitais Mendelec M56 [6].
Na d´ecada de 1980 e in´ıcio da d´ecada de 1990, os eletromi´ografos passaram a incor-porar microprocessadores. Inicialmente, os processadores n˜ao eram capazes de executar algoritimos complexos. Portanto, eles eram utilizados para o controle do equipamento. Entretanto, os equipamentos j´a eram capazes de apresentar uma interface mais amig´avel com o usu´ario e eram capazes de apresentar medidas na tela de raios cat´odicos. Com a
evo-lu¸c˜ao da capacidade de processamentos, os eletromi´ografos passaram a atribuir cada vez mais fun¸c˜oes aos processadores e o equipamento passa a ter uma gama de funcionalidades de an´alises adicionais, que seria imposs´ıvel com as tecnologia anteriores [6]. Consequen-temente, passando este componente de coadjuvante `a um dos principais no sistema. A Figura 24 mostra uma foto de um equipamento desta gera¸c˜ao.
Figura 24: Eletrmiografo Nicolet Viking [6].
A partir da d´ecada de 1990, a utiliza¸c˜ao de computadores pessoais passou a se tornar popular devido ao desenvolvimento de hardware e software. Os computadores pessoais j´a se mostravam capazes de lidar com todos os processos relacionados a grava¸c˜ao do EMG assim como seu processamento. A capacidade de transferir dados , processar o sinal rapidamente, apresenta¸c˜ao gr´afica vers´atil, plataforma de armazenamento de dados com-preens´ıvel e capaz de gerar relat´orios, fez mudar o conceito da estrutura do equipamento de EMG [6]. Portanto, os eletromi´ografos passaram a se integrar com computadores pessoais.
Com a diminui¸c˜ao dos componentes, a tecnologia atual est´a permitindo a constru¸c˜ao de eletromi´ografos pequenos com transmiss˜ao de dados por r´adio frequˆencia. Estas in-forma¸c˜oes s˜ao transferidas para um computador pessoal, onde podem ser processadas e analisadas. Esta caracter´ıstica permite exames com o paciente em movimento, totalmente livre de fios, abrindo novas possibilidade para esta tecnologia e estudos. Em adi¸c˜ao, com a queda de pre¸cos de sensores de movimento, como acelerˆometros e girosc´opios (MEMS), estes podem ser inseridos junto ao sistema do eletromi´ografo, e consequentemente,
in-2.8 Estado da arte 45
forma¸c˜oes sobre a cin´etica do corpo como consequˆencia da contra¸c˜ao muscular pode ser estudada. Como a exemplo da ´ultima gera¸c˜ao de eletromi´ografos de superf´ıcie, ´e apresen-tado o sensor Delsys Trigno Wireless®, mostrado na Figura 25;
Figura 25: Foto eletromiografo Delsys Trigno Wireless®.
O sensor Delsys Trigno Wireless®, fabricado pela Delsys® ´e considerado hoje um dos melhores sensores de EMG do mercado. Ele possui acelerˆometro integrado e transmiss˜ao de dados por r´adio frequˆencia cujo protocolo de comunica¸c˜ao ´e propriet´ario. Os eletrodos s˜ao constru´ıdos na pr´opria caixa, feitos em prata e reaproveit´aveis. A Tabela 2 mostra as especifica¸c˜oes t´ecnicas do sensor.
Pesquisas recentes com eletromiografia
A eletromiografia de superf´ıcie tˆem sido pesquisada como poss´ıvel potencial de inter-face homem m´aquina para controle de pr´oteses e exoesquletos.
A utiliza¸c˜ao do sinal el´etrico do m´usculo como informa¸c˜ao para o controle de m´aquinas requer que o sensor seja preciso e de f´acil aplica¸c˜ao. Consequentemente, a tecnologia de eletrodos `a seco se mostra promissora neste sentido, pois n˜ao existe a necessidade de aplica¸c˜ao de gel condutores sobre a pele. Pesquisas foram desenvolvidas por [17] para a compara¸c˜ao entre tecnologias de eletrodos `a seco e convencional. De forma completar ao aperfei¸coamento do hardware, pesquisas est˜ao sendo realizadas para a constru¸c˜ao de algoritimos computacionais para o processamento do sinal. Pesquisas realizadas por [18] tˆem por objetivo filtrar o sinal de sEMG de ru´ıdos de movimenta¸c˜ao gerados por tremores patol´ogicos do usu´ario.
Estudos, conduzidos por [19], prop˜oe a utiliza¸c˜ao de sensores de eletromiografia sobre todo o corpo, e o sinal aquisitado alimenta um algoritmo baseado em redes neurais que